Расчет поростого бетона

ВВЕДЕНИЕ

Из множества строительных материалов, которые используются в  угольной промышленности, особое место  занимает бетон и строительный раствор. Бетон используют при возведении крепи вертикальных шахтных столбов, капитальных горных выработок. Очень широко этот материал применяют для строительных конструкций различного назначения при сооружении объектов поверхностного комплекса. С помощью строительных растворов выполняются все разновидности каменной кладки, штукатурные, отделочные работы и т.д. Следовательно, для обеспечения заданных свойств этих материалов при возведении шахтных объектов различного назначения важно владеть методами подбора компонентов бетонов и строительных растворов и уметь рассчитывать их состав.

Строительный раствор  – искусственный каменный материал, который создается в результате затвердевания рационально подобранной растворимой смеси, которая состоит из связующих веществ (цемент, известь и др.), води и мелкого наполнителя (песка), а в некоторых случаях и специальных примесей. Смесь этих материалов до затвердевания называют строительной смесью.

Если в состав раствора входит один вид связывающего вещества, то его называют простым, например, цементный или известняковый. Кладку стен невысоких наземных сооружений производят на растворах, которые содержат самые дешевые и не дефицитные местные связывающие вещества: известь, известняково-зольную смесь, глину и др. При кладке стен многоэтажных сооружений применяют портландцемент и шлаковые цементы (в основном шлакопортландцемент). Для кладки ниже уровня грунтовых вод (строительство подземных объектов различного назначения) и в влажных грунтах применяют растворы на пуцолановом портландцементе, шлакопортландцементе, шлаковом портландцементе и портландцементе с активными минеральными примесями. Смешанные (сложные) растворы содержат два-три вида связывающих веществ (цементно-известняковый, цементно-глиняный раствор). Сложные растворы применяют в таких случаях, когда использование в качестве связывающего вещества одного только цемента нецелесообразно, а использование вместо него более дешевого вещества невозможно, например, для обштукатуривания поверхностей, которые систематически испытывают увлажнение, применяют цементно-известняковый раствор.

Прочность кладки в некоторой  мере определяется прочностью раствора, который для нее используется, обеспечивается рациональным соотношением между составными раствора (цементом, минеральной, поверхностно-активной добавкой; водой и песком).

Состав смешанного раствора, обычно, подбирают исходя из необходимой  марки раствора, активности цемента  и необходимой степени подвижности  растворимой смеси. Сначала рассчитывают ориентировочный состав раствора, а потом пробными замесами уточняют затраты воды.

Бетоны на основе неорганических веществ представляют собой искусственные строительные конгломераты, которые образуются в результате затвердевания рационально подобранной по составу, тщательно перемешанной и уплотненной бетонной смеси, которая состоит из связывающих веществ (разные виды цементов), воды, крупного и мелкого заполнителя. В качестве крупных заполнителей в бетонах, обычно применяют щебень, гравий, продукты промышленности (шлаки). Мелким заполнителем, обычно, является песок, реже зола и другие материалы.

Бетонной смесью называют рационально скомпонированную и тщательно перемешанную смесь составных бетона до начала процессов схватывания и отверждения. Состав бетонной смеси определяют, исходя из требований к самой смеси и бетону.

К ряду основных требований, которые предъявляются к обычному бетону, принадлежит необходимая его прочность, которая определяется, главным образом, активностью цемента, что применяется при приготовлении бетонной смеси, а также соотношением затрат цемента и воды в ее составе и качеством материалов заполнителей.

1 СТРОИТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ

Строительный раствор  — это искусственный каменный материал, полученный в результате затвердевания растворной смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды, мелкого заполнителя (песка) и добавок, улучшающих свойства смеси и растворов. По своему составу строительный раствор является мелкозернистым бетоном, и для него справедливы закономерности, присущие бетонам. Среди большого разнообразия растворов отдельные виды их имеют много общего. В основу групповой классификации положены следующие ведущие признаки: плотность, вид вяжущего вещества, назначение и физико-механические свойства растворов.

По плотности в сухом  состоянии растворы делят: на тяжелые  с плотностью 1500 кг/м3 и более, для  их изготовления применяют тяжелые  кварцевые или другие пески; легкие растворы, имеющие плотность менее 1500 кг/м3, заполнителями в них являются легкие пористые пески из пемзы, туфов, шлаков, керамзита и других легких мелких заполнителей.

1.1 Классификация строительных  растворов

По виду вяжущего строительные растворы бывают: цементные, приготовленные на портландцементе или его разновидностях; известковые — на воздушной или гидравлической извести, гипсовые — на основе гипсовых вяжущих веществ — гипсового вяжущего, ангидритовых вяжущих; смешанные — на цементно-известковом вяжущем. Выбор вида вяжущего производят в зависимости от назначения раствора, предъявляемых к нему требований, температурно-влажностного режима твердения и условий эксплуатации здания или сооружения.

По назначению строительные растворы делят: на кладочные для   каменных   кладок  и   кладки   стен   из   крупных   элементов; отделочные для штукатурки, изготовления архитектурных деталей, нанесение декоративных слоев на стеновые блоки и панели; специальные, обладающие некоторыми ярко выраженными или особыми  свойствами   (акустические,   рентгенозащитные,  тампонажные и т.д.). Специальные растворы имеют узкое применение.

По физико-механическим свойствам  растворы классифицируют по двум важнейшим показателям: прочности и морозостойкости, характеризующим долговечность раствора.  По величине  прочности при сжатии строительные растворы подразделяют на восемь марок: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 и 200. Растворы М4  и 10 изготовляют на местных вяжущих (воздушной и гидравлической извести и др.). По степени морозостойкости в циклах замораживания растворы имеют девять марок морозостойкости: от F10 до F300.

Состав раствора обозначают количеством (по массе или объему) материалов на 1 м3 раствора или относительным  соотношением (также по массе или  объему) исходных сухих материалов. При этом расход вяжущего принимают за 1. Для простых растворов, состоящих из вяжущего и не содержащих минеральных добавок (цементных или известковых растворов) состав будет обозначен, например, 1:6, т. е. на 1 ч. вяжущего приходится 6 ч. песка. Состав смешанных растворов, состоящих из двух вяжущих или содержащих минеральные добавки, обозначают тремя цифрами, например 1:0,4:5 (цемент:известь:песок). Однако следует учитывать, что в цементных смешанных растворах за вяжущее принимают цемент совместно с известью.

В качестве мелкого заполнителя  применяют: для тяжелых растворов  — кварцевые и полевошпатовые природные пески, а также пески, полученные дроблением плотных горных пород; для легких растворов — пемзовые, туфовые, ракушечные, шлаковые пески. Для обычной кладки кирпича, камней правильной формы, в том числе и блоков, наибольший размер зерен песка не должен превышать 2,5 мм; для бутовой кладки, а также замоноличивания стыков сборных железобетонных конструкций и для песчаного бетона — не более 5 мм; для отделочного слоя штукатурки — не более 1,2 мм.

Минеральные и органические добавки применяют для получения  удобоукладываемой растворной смеси при использовани портландцементов. В качестве эффективных минеральных добавок в цементные растворы вводят известь в виде теста. Добавка извести в цементных растворах повышает водоудерживающую способность, улучшает удобоукладываемость и дает экономию цемента. В качестве неорганических дисперсных добавок применяют активные минеральные добавки — диатомит, трепел, молотые шлаки и т. д.

Поверхностно-активные добавки  используют для повышения пластичности растворной смеси и уменьшения расхода  вяжущего, вводят в растворы десятые  и сотые доли процента от количества вяжущих. В качестве поверхностно-активной органической добавки применяют сульфитно-дрожжевую бражку (СДБ), гидролизированную боенскую кровь (ГК), мылонафт, гидрофобнопластифицирующую добавку «флегматор» и др.

Требования  к  качеству  вяжущих,  заполнителей,  добавок  и воды такие же, как и к материалам, применяемым для приготовления  бетонов.

1.2. Основные свойства строительных растворов

Основными свойствами растворной смеси являются подвижность, удобоукладываемость, водоудерживающая способность, а растворов — прочность и долговечность. Растворная смесь в зависимости от состава может иметь различную консистенцию — от жесткой до литой. Строительные растворы для каменной кладки, отделки зданий и других работ изготовляют достаточно подвижными.

•   Подвижность растворной смеси определяют глубиной погружения в смесь металлического конуса массой 300 г с углом при вершине 30°.

•   Удобоукладываемость — способность   легко,   с   минимальной затратой энергии укладываться на основание тонким, равномерным по плотности слоем, прочно сцепляющимся с поверхностью основания.  Растворная  смесь,   приготовленная  на  одном  портландцементе, часто содержит мало цементного теста и получается жесткой, неудобоукладываемой.  В таких случаях применяют добавки минеральных или органических поверхностно-активных пластификаторов.

•    Водоудерживающая  способность характеризуется  свойством  раствора не расслаиваться при транспортировании  и сохранять достаточную влажность  в тонком слое на пористом основании. Растворная смесь, имеющая низкую водоудерживающую способность,   при   транспортировании   расслаивается,   а   при   укладке на  пористое основание   (керамический  кирпич,  бетон,  дерево,) быстро отдает ему воду. Степень обезвоживания раствора может оказаться столь значительной, что воды будет недостаточно для твердения раствора и он не достигнет необходимой прочности. Повышают водоудерживающую способность минеральные и органические пластификаторы.

•   Прочность  затвердевшего   раствора  зависит  от   активности вяжущего   вещества  и   величины   цементно-водного  отношения. Прочность  (Па)   растворов на портландцементе  определяют по формуле проф. Н. А. Попова:

Rр = 0,25Rц(Ц/В - 0,4),

где Rц — активность цемента, Па; Ц/В — цементно-водное отношение.

Приведенная формула верна  для растворов, уложенных на плотное  основание; при пористом основании, которое отсасывает из раствора воду и уплотняет этим раствор, прочность  увеличивается примерно в 1,5 раза.

Прочность (Па) растворов  зависит также от расхода цемента  и качества песка:

Rр=kRц(Ц - 0,05) + 4,

где k — коэффициент, для  мелкого песка k= 1,4, для среднего k = 1,8 и для крупного k = 2,2; Ц — расход цемента, т/м3 песка.

Прочность смешанных растворов  зависит также от вводимых в них  тонкомолотых добавок. Каждый состав цементного раствора имеет свое оптимальное значение добавки, при которой смесь обладает наилучшей удобоукладываемостью и дает раствор наибольшей прочности.

•   Прочность раствора  характеризуется, как отмечалось, маркой. Марка раствора обозначается по пределу прочности при сжатии образцов размером 70,7X70,7X70,7 мм, изготовленных из рабочей растворной смеси на водоотсасывающем основании после 28-суточного твердения их при температуре 15...25°С. Средняя относительная прочность цементных растворов (в том числе смешанных), твердеющих в условиях нормального влажностного режима при температуре 15...25°С в возрасте 3 суток, составляет 0,25 от марочной 28-суточной прочности, в возрасте 7 суток — 0,5; 14 сут — 0,75; 60 сут — 1,2 и в 90 суточном возрасте — 1,3. Если твердение цементных и смешанных растворов происходит при температуре, отличной от 15°С, то относительную прочность этих растворов принимают по специальным таблицам.

1.3. Подбор состава строительных растворов

Подбор состава растворов  выполняют, исходя из требуемых марок, подвижности, назначения раствора и условий производства работ.

Состав раствора выражается количеством исходных материалов для получения 1 м3 растворной смеси или соотношением сухих компонентов (по массе или объему), при этом расход основного вяжущего принимают за 1. Например, состав растворной смеси, в которой на 1 ч. цемента приходится 0,7 ч. извести и 6 ч. песка, записывается 1 : 0,7 : 6.

1.4. Способы приготовления  строительных растворов

Строительные   растворы   приготовляют  двух   видов:   в  виде готовых растворных смесей необходимой  подвижности и сухих растворных смесей, требующих перед употреблением смешивания с водой и в необходимых случаях введения специальных добавок.

Строительные растворы готовят  в централизованном порядке на бетонорастворных заводах или растворосмесительных узлах. Приготовление растворов на механизированных приобъектных или передвижных установках производят лишь при малых объемах работ и отдаленном расположении централизованного производства раствора. Целесообразность изготовления и поставки сухих растворных смесей устанавливают с учетом условий перевозки и производства работ.

Составы растворов для  получений заданной марки следует  подбирать любым обоснованным способом, обеспечивающим получение заданной прочности раствора к определенному сроку твердения при наименьшем расходе цемента. При этом необходимо обеспечивать подвижность и водоудерживающую способность растворной смеси, соответствующие условиям применения раствора. Подобранный состав уточняется контрольными испытаниями.

1.5. Транспортирование строительных  растворов

Растворные смеси с  заводов перевозят автосамосвалами. Растворная смесь при транспортировани может расслоиться или замерзнуть, поэтому дальность перевозки зависит от вида раствора, состояния дороги и температуры воздуха. Чтобы предохранить раствор от переохлаждения и замерзания зимой, кузова автомашин утепляют или обогревают их отработанными газами двигателя.

Сроки хранения растворных смесей зависят от вида вяжущего и  ограничиваются сроками его схватывания.

2 БЕТОН

Бетонами называют искусственные  каменные материалы, получаемые в результате затвердевания тщательно перемешанной и уплотненной смеси из минерального или органического вяжущего вещества с водой, мелкого или крупного заполнителей, взятых в определенных пропорциях. До затвердевания эту смесь называют бетонной смесью.

В строительстве широко используют бетоны, приготовленные на цементах или  других неорганических вяжущих веществах. Эти бетоны обычно затворяют водой. Цемент и вода являются активными составляющими бетона; в результате реакции между ними образуется цементный камень, скрепляющий зерна заполнителей в единый монолит.

Между цементом и заполнителем обычно не происходит химического взаимодействия (за исключением силикатных бетонов, получаемых автоклавной обработкой), поэтому заполнители часто называют инертными материалами. Однако они существенно влияют на структуру и свойства бетона, изменяя его пористость, сроки затвердевания, поведение при воздействии нагрузки и внешней среды. Заполнители значительно уменьшают деформации бетона при твердении и тем самым обеспечивают получение большеразмерных изделий и конструкций. В качестве заполнителей используют преимущественно местные горные породы и отходы производства (шлаки и др.). Применение этих дешевых заполнителей снижает стоимость бетона, так как заполнители и вода составляют 85...90%, а цемент 10...15% от массы бетона. Для снижения плотности бетона и улучшения его теплотехнических свойств используют искусственные и природные пористые заполнители.

Для регулирования свойств  бетона и бетонной смеси в их состав вводят различные химические добавки и активные минеральные компоненты, которые ускоряют или замедляют схватывание бетонной смеси, делают ее более пластичной и удобоукладываемой, ускоряют твердение бетона, повышают его прочность и морозостойкость, регулируют собственные деформации бетона, возникающие при его твердении, а также при необходимости изменяют и другие свойства бетона.

С увеличением возраста бетона повышаются его прочность, плотность, стойкость к воздействию окружающей среды. Свойства бетона определяются не только его составом и качеством исходных материалов, но и технологией приготовления и укладки бетонной смеси в конструкцию, условиями твердения бетона. Все эти факторы учитывают при проектировании состава бетона и производстве конструкций на его основе.

На органических вяжущих  веществах (битум, синтетические смолы  и т.д.) бетонную смесь получают без введения воды, что обеспечивает высокую плотность и непроницаемость бетонов. Многообразие вяжущих веществ, заполнителей, добавок активных минеральных компонентов и технологических приемов позволяет получать бетоны с самыми разнообразными свойствами.

Бетон является хрупким материалом: его прочность при сжатии в  несколько раз выше прочности  при растяжении. Для восприятия растягивающих  напряжений бетон армируют стальными  стержнями, получая железобетон. В  железобетоне арматуру располагают так, чтобы она воспринимала растягивающие напряжения, а сжимающие напряжения передавались на бетон. Совместная работа арматуры и бетона обусловливается хорошим сцеплением между ними и приблизительно одинаковыми температурными коэффициентами линейного расширения.

Бетон предохраняет арматуру от коррозии.

Тяжелый бетон классифицируется по плотности на тяжелый, плотностью от 2000 до 2600 кг/м3 и особенно тяжелый, плотностью больше 2600 кг/м3. Марка тяжелого бетона по прочности на сжатие может достигать от М 50 до М 800, а класс бетона от В 3,5 до В 60.

Бетонные и железобетонные конструкции изготовляют либо непосредственно  на месте строительства - монолитный бетон и железобетон, либо на заводах  и полигонах с последующим монтажом на строительной площадке – сборный бетон и железобетон.

2.1 Сырьевые материалы для приготовления бетонов

В зависимости от вида, назначения и особенностей эксплуатации бетонов, а также бетонных изделий применяются  различные вяжущие вещества.

Применяются следующие виды цемента [3, 4]:

– портландцемент ПЦ;

– портландцемент быстродействующий  БПЦ;

– портландцемент с минеральными и пластифицирующими добавками [5];

– шлакопортландцемент с добавками доменного граншлака в количестве 21...60% ШПЦ [5];

– шлакопортландцемент быстродействующий.

Заполнители [6] занимают в  бетоне до 80 % объема и оказывают  влияние на свойства бетона, его  долговечность и стоимость. Введение в бетон заполнителей позволяет  резко сократить расход цемента, являющегося наиболее дорогим компонентом. Кроме того, заполнители улучшают технические свойства бетона. Заполнители создают в бетоне жесткий скелет и примерно в 10 раз, по сравнению с цементным тестом уменьшает усадку бетона. Жесткий скелет из высокопрочного заполнителя несколько увеличивает прочность и модуль деформации бетона, уменьшает деформации конструкций под нагрузкой, а также ползучесть бетона – необратимые деформации, возникающие при длительном действии нагрузки. Заполнители создают в бетоне жесткий скелет и примерно в 10 раз по сравнению с цементным тестом уменьшает усадку бетона, способствуя получению более долговечного материала.

Пористые естественные и  искусственные заполнители, обладая  малой плотностью, уменьшают плотность легкого бетона, улучшают его теплотехнические свойства. В специальных бетонах (жаростойких, для защиты от радиации и др.) роль заполнителя очень высока, так как его свойства во многом определяют специальные свойства этих бетонов.

В бетоне применяют крупный [7, 8] и мелкий заполнитель [9, 10]. Крупный  заполнитель (более 5 мм) подразделяют на гравий и щебень. Мелким заполнителем в бетоне является естественный или искусственный песок.

Заполнители для бетонов  бывают различных видов, природные  или искусственные: песок, щебень, гравий. Их свойства регламентируются соответствующими ГОСТами, техническими условиями, другими нормативными документами.

Щебень гранитный должен соответствовать требованиям ГОСТ 8267-93 "Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия", ДСТУ Б.В.2.7-75-98 "Щебень и гравий плотные природные для строительных материалов, изделий, конструкций и работ. Технические условия".

В качестве мелкого заполнителя  применяется кварцевый песок, удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8736-93 "Песок для строительных работ. Технические условия", ДСТУ Б.В.2.7-32-95 "Пісок щільний природний для будівельних матеріалів, виробів, конструкцій і робіт".

Различают рядовой заполнитель, содержащий зерна различных размеров, и фракционированный, когда зерна  заполнителя разделены на отдельные  фракции, включающие зерна близких  между собой размеров, например 5...10 мм или 20...40 мм. Заполнитель характеризуется  наименьшей и наибольшей крупностью, под которыми понимают размеры наименьших или наиболее крупных зерен заполнителя.

Вода. Источником для приготовления  бетонной смеси является обычная  питьевая вода. Качество воды удовлетворяет требованиям ГОСТ 23732-80 "Вода для бетонов и растворов. Технические условия".

Добавки ("ДСТУ Б В.2.7-65-97. Будівельні матеріали. Добавки для бетонів і будівельних розчинів. Класифікація. Для улучшения физико-механических свойств бетонов и растворов, а также по технико-экономическим соображениям широко применяют различные добавки к вяжущим. Вводят их в бетономешалку в виде сухих порошков или водных суспензий и растворов.

В зависимости от назначения добавки делят на активные, минеральные, добавки-наполнители, поверхностно-активные, пено– и газообразователи, ускорители твердения и замедлители схватывания, противоморозные.

Одним из важнейших направлений, совершенствования технологии бетона и железобетона являются применение химических добавок, обеспечивающих сокращение расхода цемента, и трудоемкости технологических процессов.

3 РАСЧЕТ СОСТАВА СМЕШАННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО РАСТВОРА

Необходимо подобрать  состав смешанного раствора  марки , если активность портландцемента, который используется, минеральная примесь – известняк.

Состав смешанного раствора, обычно, подбирают исходя из необходимой  марки раствора, активности цемента  и необходимой степени подвижности  растворенной смеси. Сначала рассчитывают ориентировочный состав раствора, а потом пробными замесами уточняют расход воды.

Расчет состава смешанного строительного раствора будем выполнять  в такой последовательности.

1. Расход цемента на 1 песка определяем по формуле:

где – заданная марка раствора, ;

       Rц – активность цемента при испытании цемента в образцах из пластичного раствора, ;

        К – коэффициент, равный для портландцемента 1.

Подставив наши данные получим:

.

2. Объемный расход цемента  на 1 песка определяем по формуле, приняв насыпную плотность цемента

где ρнц – плотность цемента в насыпном состоянии.

Подставив известные данные получим:

3. Объемный расход известнякового  теста на 1 песка определим по формуле:

Подставив данные условия  получим:

4. Расход известнякового  теста на 1 песка определим по формуле, приняв плотность примеси (известнякового теста) равной :

, кг,

где – объемный расход известнякового теста, ;

      – плотность известнякового теста примеси, кг/ .

Подставив числовые значения получим:

 кг.

5. Установим состав смешанного  раствора в частях по объему  в соответствии с формулой:

Для этого разделим  расход каждого компонента раствора на расход цемента по объему. Подставив ранее рассчитанные данные получим:

6. Определим ориентировочный  расход воды на 1 песка для получения смеси по формуле:

где – расход цемента и примеси (известняка) на 1 песка, кг;

       – плотность неорганической примеси, кг/.

 Ориентировочный расход воды на 1 песка для получения смеси равен:

Расход материалов на 1 песка для приготовления смешанного строительного раствора марки 75:

Цемент 187,5 кг

          Вода 197,86 л

Известняковое тесто 0,106

Песок 1

7. Построим график изменения  прочности строительного раствора  со временем:

Таблица 1 – Изменение  прочности строительного раствора в зависимости от времени, прошедшего от начала схватывания.

8. Построим график изменения  прочности строительного раствора  по времени, используя данные  табл. 1.

4 РАСЧЕТ СОСТАВА ОБЫЧНОГО БЕТОНА

Необходимо рассчитать состав бетона с прочностью , жесткость бетонной смеси Ж = 80 с. В состав бетонной смеси входят шлакопортландцемент, песок и щебень.

Гранулометрический состав песка по данным ситового анализа: