Проектирование состава бетона с учетом его морозостойкости

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Иванов, Ф. М. Долговечность железобетона в агрессивных средах / Ф. М. Иванов. - М.: Стройиздат, 1990. -320 с.

2. Леонович, С. Н. Трещиностойкость и долговечность бетонных и железобетонных элементов в терминах силовых и энергетических критериев механики разрушения / С. Н. Леонович. - Минск, 1999. - 266 с.

3. Dorf, V. Durability of reinforced concrete structures under seaside tropical climate effects / V. Dorf // Durability Design and Fracture Mechanics of Concrete Structures: Pro-

ceedings of International Conference «Construction and Architecture»: Ed. by prof. B. M. Khroustaliev , prof. S. N. Leonovich. -2003. - Р. 26-36.

4. Моделирование массопереноса в процессах жидкостной коррозии бетона 1 вида / С. В. Федосов [и др.] // Строительные материалы. - 2005. - № 7. - С. 60-62.

5. Моделирование массопереноса в процессах коррозии бетонов первого вида (малые значения числа Фурье) / С. В. Федосов [и др.] // Строительные материалы. - 2007. -№ 5. - С. 68-69.

Поступила 26.06.2009

УДК 691.32

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СОСТАВА БЕТОНА С УЧЕТОМ ЕГО МОРОЗОСТОЙКОСТИ

Инж. КОВШАР С. Н., докт. техн. наук, проф. БАБИЦКИЙ В. В.

Белорусский национальный технический университет

В последние годы методы оптимизации составов бетона развиваются в направлении учета свойств, характеризующих его долговечность. Следует отметить, что если для традиционного бетона методов проектирования состава достаточно много, то для бетона с пластифицирующими и воздухововлекающими добавками их явно недостаточно. В связи с этим технологи на предприятиях по производству сборного и монолитного бетона лишены инструмента, позволяющего проектировать составы таких бетонов с достаточной достоверностью. В настоящей работе приведен расчетно-графический метод проектирования состава бетона, включая химические добавки, ориентированный на прогнозирование такой важной эксплуатационной характеристики, как морозостойкость.

Последовательность проектирования состава тяжелого бетона. Методика проектирования состава бетона реализуется в два этапа. На первом этапе определяют состав бетона, который обеспечивает требуемые значения удо-боукладываемости бетонной смеси и прочности бетона, а на втором - его предполагаемую морозостойкость.

По общепринятой схеме проектирование состава бетона начинают с определения во-

доцементного отношения бетонной смеси, которое удобно рассчитать, основываясь на формуле [1]:

Ц

Ко/б

0,1,

где кз - коэффициент, зависящий от качества заполнителей (для щебня принимают равным 1,0, а для гравия - 0,9); / - активность цемента, МПа; кТо - коэффициент, зависящий от отпускной прочности бетона; / - прочность бетона, МПа.

Величину отпускной прочности бетона учитывают следующим образом:

кто = 1 + 0,009(/ош - 70),

где /отп - отпускная прочность бетона, %.

Поскольку методика проектирования состава бетона ориентирована на прогнозирование морозостойкости, к недостаткам формулы (1) можно отнести то, что в ней учитываются как содержание воздуха в бетонной смеси (вовлеченный в бетонную смесь воздух - результат применения соответствующих химических добавок), так и загрязненность заполнителей. Попытаемся устранить указанные недостатки.

Фактически по формуле (1) рассчитывают не водоцементное отношение бетонной смеси, а отношение суммы объемов воды и воздуха к расходу цемента. Учет содержания воздуха в бетоне не нов и предложен еще на заре развития бетоноведения Р. Фере. Формула для расчета прочности бетона в его редакции выглядит следующим образом [2]:

/ = к

С

в+г

МПа,

где К - коэффициент, зависящий от активности цемента; С, В - абсолютные объемы цемента и воды; V - объем воздушных пор в единице объема бетона.

Таким образом, фактически при введении воздухововлекающих и микрогазообразующих добавок можно записать

^в ^ ( в+в ^

Ц

Ц

где Вв - объем воздушных пор, л.

Учет загрязненности заполнителя, т. е. содержание в них глины, ила и пыли, осуществляют в (1) посредством коэффициента кз. Для получения численного значения коэффициента можно воспользоваться данными [3]. После переработки результатов этого источника, а также проведения дополнительных экспериментов получена следующая формула:

кз = 1 - 0,04-

где 0"л, О-Тл - содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц в заполнителе, % от массы мелкого и крупного заполнителя соответственно.

Далее рассчитывают водоцементное отношение цементного теста

=

Ц

Ц

где Мк - модуль крупности песка, и относительное водосодержание цементного теста

X =

К

где Кнг - коэффициент нормальной густоты цемента, соответствующий водоцементному от-

ношению цементного теста нормальной густо-НГ

ты (НГ в %): Кнг =-.

нг 100

Затем определяют предельную

Ц

= 1,65К

Водопотребность бетонной смеси рассчитывают по формулам в зависимости от водоце-ментного отношения цементного теста:

^ В^ (в^п

при

>

V Ц Л IЦ

в =

вп

кг;

при

<

1 -

V Ц Л V Ц

в =

в„

+ 10НГ

1 -

, кг.

Проанализируем формулы (9) и (10), посредством которых учитываются основные факторы, влияющие на водопотребность бетонной смеси.

Величина расхода воды для сверхжесткой бетонной смеси (на чистых заполнителях, крупном песке и щебне крупностью до 20 мм) может быть принята равной 110 кг (Во), что соответствует нижней границе связности цементного теста. Величина коэффициента ку определяется удобоукладываемостью бетонной смеси и равна:

• для подвижной бетонной смеси в зависимости от осадки конуса

0,094л/0К;

ку = 0,7 -

• для жесткой бетонной смеси в зависимости от показателя жесткости

\0Д6

.

ку = 1,051 —

у 1 Ж

1

Если свойства заполнителей отличны от указанных выше, то к рассчитанному по (9) или

у

п

у

(10) расходу воды прибавляются поправки, значения которых могут быть определены из рекомендаций, представленных в [3].

Расход цемента рассчитывают с учетом содержания воздуха, вовлеченного в бетонную смесь при введении воздухововлекающих (и иных подобных) добавок

тт В + 10Ув

Ц = В+Г^ кг, Ц

где Ув - воздухововлечение бетонной смеси, % от объема бетона (определяют экспериментально или расчетом согласно [5]). Рассчитаем объем цементного теста

К = +— + 0,01ГВ, м3, Рц Рв

где рц и рв - плотности цемента и воды, кг/м3.

Затем вычислим долю песка в смеси заполнителей

• = 45 -140(1 - Гт )1,5

и, наконец, расходы мелкого и крупного заполнителей:

П = 0,01г

Щ =

где рп, Рщ - плотности зерен мелкого и крупного заполнителя, кг/м3.

Итак, запроектирован состав бетона, обеспечивающий требуемую удобоукладываемость бетонной смеси и прочность бетона. Далее необходимо рассчитать предполагаемую морозостойкость бетона.

Расчет морозостойкости бетона. Как было установлено ранее [6], кинетика изменения прочности бетона в процессе циклического замораживания и оттаивания определяется сочетанием конструктивных и деструктивных преобразований, происходящих в материале при эксплуатации (или испытаниях). Суммарный процесс (число циклов замораживания-оттаивания материала ^р) может быть описан следующим образом:

2 1

рр =-

I .с ашах

100 ] ° ап

100

В выражении (18) допустимая потеря прочности бетона 5 определяется требованиями нормативных документов. Величину прочности к моменту начала эксплуатации /0 можно принять равной прочности бетона в проектном возрасте.

Максимально возможная степень гидратации цемента атах зависит от водосодержания цементного теста и после обработки данных, приведенных в [7, 8], может быть привязана к относительному водосодержанию цементного теста. Если величина Х > 1,65, то при достаточно продолжительном твердении в благоприятных условиях может прогидратироваться весь цемент, т. е. а = 100 %. Но если Х < 1,65 , то

а„

= 60,6 Х, %.

Фактическая степень гидратации а0 в основном определяет все структурные характеристики цементного камня и бетона и для проектного возраста может быть рассчитана в зависимости от относительного водосодержания цементного теста [9]: • при Х < 1,65

3

а0 = 60 Х - 3 (1,

• при Х > 1,65

а0= 70 + 5

Объем открытых капиллярных пор фактически определяет водопоглощение материала Жо и может быть рассчитан следующим образом. Трансформировав общеизвестную формулу для расчета общей пористости бетона, связывающую пористость с расходами воды и цемента, а также со степенью гидратации цемента [10], выражение для определения общей пористости цементного камня По можно записать следующим образом:

По = ГВт - 0,23Ц—, %. (22) о ^ т 100) 10

При расчетах удобнее оперировать не с содержанием воды в цементном тесте Вт, а с во-доцементным отношением

По =

Ц

а

Ц - 0,23Ц-

100

—, %. (23) 10

В итоге получаем достаточно простую формулу, численные значения факторов в которой рассчитываются по приведенной выше схеме:

о

П„ =

- 0,23

а 100

Ц

10,

%.

Приняв, что объем цементного камня равен объему цементного теста, можно получить уравнение для расчета водопоглощения бетона по объему

К = к

Ц

- 0,23

а 100

Ц % 10

Установлено, что коэффициент кэ, характеризующий интенсивность деструктивных процессов в уравнении (18), может быть привязан к относительному водосодержанию цементного теста и рассчитываться:

• при X < 1,4

ка = 0,07 + 0,22

• при X > 1,4

кд = 0,27 + 4

Если рассчитанная величина морозостойкости бетона меньше проектного значения, то состав бетона пересчитывают, начиная с уравнения (1), увеличивая прочность бетона и уменьшая тем самым водоцементное отношение. Процесс оптимизации состава бетона достаточно длителен, поэтому для удобства все расчеты представлены в виде номограмм, которые позволяют оперативно рассчитать требуемые характеристики бетона. В качестве примера на рис. 1, 2 приведены разработанные номограммы для расчета «конструктивных» факторов и морозостойкости бетона без поправочных коэффициентов.

Достоверность расчетов. Естественно, проведенные исследования были бы недостаточно полными, если бы не была проведена оценка достоверности представленной методики проектирования состава бетона. Это было реализовано на различных составах бетонных смесей (табл. 1), изготовленных в лабораторных условиях на следующих компонентах: портландцемент ПЦ-500-Д20 РУП «Белорусский цементный завод» (активность - 51,5 МПа, нормальная густота - 26,5 %), песок природный (модуль крупности - 2,65, содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц - 1,8 % по массе), щебень гранитный (наибольшая крупность зерен - 20 мм, содержание пылевидных, глинистых и илистых частиц - 0,6 % по массе).

Рис. 1. Номограммы для определения состава бетона

Рис. 2. Номограммы для расчета морозостойкости бетона

Таблица 1

Состав бетонных смесей

Класс бетона по прочности на сжатие Марка бетонной смеси по удобо-укладывае-мости Расход компонентов бетонной смеси, кг/м3 Добавка ПФМ-НЛК, % от массы цемента

Цемент Песок Щебень Вода

С12/15 П1 210 863 1169 120 0,40

С12/15 П2 225 897 1107 131 0,40

С12/15 П3 236 876 1095 145 0,40

С12/15 П1 213 855 1187 110 0,60

С16/20 П1 235 850 1173 125 0,45

С16/20 П2 244 886 1112 133 0,45

С16/20 П3 256 877 1090 142 0,50

С16/20 П1 241 851 1170 118 0,65

С20/25 П1 337 751 1165 144 0,50

С20/25 П2 354 768 1121 151 0,50

С20/25 П3 379 755 1094 162 0,55

С20/25 П4 388 763 1065 170 0,60

С20/25 П5 404 764 1036 178 0,70

С20/25 П1 341 756 1160 140 0,80

С25/30 П1 353 802 1103 145 0,50

С25/30 П2 372 789 1086 153 0,50

С25/30 П3 395 776 1062 162 0,60

С25/30 П4 418 779 1022 173 0,60

С25/30 П5 429 782 995 178 0,70

С25/30 П1 360 749 1153 138 0,80

С30/37 П1 396 708 1170 146 0,55

С30/37 П2 415 729 1112 154 0,60

С30/37 П3 437 733 1067 163 0,60

С30/37 П4 453 731 1031 175 0,70

С30/37 П5 472 733 983 185 0,80

С30/37 П1 401 708 1167 144 0,85

С35/45 П1 458 683 1155 154 0,65

С35/45 П2 475 668 1112 165 0,70

С35/45 П3 513 627 1087 181 0,80

С35/45 П1 462 685 1143 150 0,90

Варьирование в широких пределах классов бетона по прочности на сжатие (С12/15-С35/45) и марок бетонных смесей по удобоукла-дываемости (П1-П5) обеспечивало получение практически всех возможных вариантов структурно-механических характеристик материала. В качестве химической добавки взята достаточно популярная в настоящее время ПФМ-НЛК (полифункциональный модификатор), важная особенность которой заключается в ее двойном действии: она по основному эффекту действия относится к пластификаторам группы I, а по дополнительному - к воздухововле-кающим.

Образцы-кубы размером 100x100x100 мм (количество принималось согласно [11]) твердели 28 сут. в нормально-влажностных условиях, после чего проводили испытания по первому методу [11].

Оценка достоверности прогнозирования заключалась в сравнении фактических значений морозостойкости Fфг с расчетными ^р», причем критерием достоверности принят коэффициент вариации

V- =-

>1 2 ^ - ^)

1=1_

п -1

• 100, %,

ф1 п

где п - количество составов.

Статистический анализ приведенных в табл. 2 данных показывает, что предложенная методика прогнозирования морозостойкости на стадии проектирования состава бетона, в том числе с пластифицирующе-воздухововлекающей добавкой, обеспечивает требуемую достоверность (коэффициент вариации составил 10,3 %, что меньше считающегося приемлемым для неразрушаю-щего контроля свойств бетона значения 12 %).

Таблица 2

Статистическая оценка достоверности расчетов

№ состава Объем вовлеченного воздуха, % Морозостойкость бетона, цикл Fф — Fр ^ф — Fр)2

Фактическая Fф Расчетная Fр

1 3,2 110 128 -18 324

2 2,6 105 116 —11 121

3 2,9 105 95 10 100

4 3,4 140 136 4 16

5 3,5 150 176 —26 676

6 3,1 135 153 —18 324

7 3,0 120 142 —22 484

8 4,1 190 181 9 81

9 4,5 260 242 18 324

10 3,5 180 201 —21 441

11 3,3 165 187 —22 484

12 3,6 180 153 27 729

13 3,2 150 125 25 625

14 4,4 250 251 —1 1

15 5,2 270 312 —42 1764

16 5,5 290 278 12 144

17 5,0 265 265 0 0

18 4,4 240 204 36 1296

19 3,9 195 185 10 100

20 5,6 310 322 —12 144

1=1

Окончание табл. 2

№ состава Объем вовлеченного воздуха, % Морозостойкость бетона, цикл Рф - Рр (Р - Рр)2

Фактическая Рф Расчетная Рр

21 5,1 300 363 -63 3969

22 4,5 290 310 -20 400

23 4,9 315 275 40 1600

24 5,2 250 253 -3 9

25 4,0 210 214 -4 16

26 3,7 350 376 -26 676

27 5,1 410 394 16 256

28 4,3 330 355 -25 625

29 3,5 280 303 -23 529

30 4,9 400 410 -10 100

Описанный расчетно-графический метод проектирования состава бетона в настоящее время проходит апробацию на ОАО «Светлогорский завод ЖБИиК», ОАО «Завод СЖБ-1» г. Минск, ПУ «Нефтеспецстрой» г. Речица и, судя по предварительным результатам, обеспечивает достаточную точность расчетов.

В Ы В О Д Ы

1. Разработана методика проектирования состава тяжелого бетона с пластифицирующими и воздухововлекающими добавками.

2. Предложена модель прогнозирования морозостойкости бетона с количественным учетом структурно-механических особенностей материала.

3. Разработана система номограмм, позволяющая оперативно, с достаточно высокой для практических целей точностью проектировать составы бетона и прогнозировать их морозостойкость.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Суходоева, Н. В. Методика проектирования состава бетона / Н. В. Суходоева, В. В. Бабицкий // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2009. - № 2. - С. 167-176.

2. Френкель, И. М. О расчете прочности бетона по формулам / И. М. Френкель // Бетон и железобетон. -1974. - № 9. - С. 8-9.

3. Руководство по подбору составов тяжелого бетона / НИИ бетона и железобетона Госстроя СССР. - М.: Стройиздат, 1979. - 103 с.

4. Ахвердов, И. Н. Основы физики бетона / И. Н. Ах-вердов. - М.: Стройиздат, 1981. - 464 с.

5. Большаков, В. И. Основы теории и методологии многопараметрического проектирования составов бетона /

B. И. Большаков, Л. И Дворкин, О. Л. Дворкин. - Днепропетровск: ПГАСА, 2006. - 360 с.

6. Ковшар, С. Н. Влияние циклического замораживания и оттаивания на изменение степени гидратации цемента и структурно-механические характеристики цементного камня / С. Н. Ковшар, В. В. Бабицкий // Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь: сб. тр. XVI международного научно-методического семинара / под общ. ред. П. С. Пойты, В. В. Тура. - Брест: БрГТУ, 2009. - Ч. 2. - С. 147-151.

7. Пауэрс, Т. К. Физическая структура портландце-ментного теста / Т. К. Пауэрс // Химия цемента; под ред. Х. Ф. У. Тейлора; пер. с англ. - М.: Стройиздат, 1969. -

C. 300-819.

8. Пауэрс, Т. Физические свойства цементного теста и камня / Т. Пауэрс // Четвертый Международный конгресс по химии цемента. - М.: Стройиздат, 1964. - С. 402-438.

9. Бабицкий, В. В. Прогнозирование степени гидратации цемента с химическими добавками / В. В. Бабицкий // Материалы, технологии, инструменты. - 2005. -№ 1. - С. 76-79.

10. Состав, структура и свойства цементных бетонов / Г. И. Горчаков [и др.]. - М.: Стройиздат, 1976. - 144 с.

11. Бетоны. Базовый метод определения морозостойкости: ГОСТ 10060.1-95. - Введ. 01.04.1997. - Минск: Межгосударственная научно-техническая комиссия по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве, 1997. - 6 с.

Поступила 29.12.2009

УДК 625.8

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БЕТОНОВ

НА ОРГАНОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВЯЖУЩИХ В ШИРОКИХ ДИАПАЗОНАХ ТЕМПЕРАТУР И СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

Докт. техн. наук, проф. ВЕРЕНЬКО В. А., инж. МАКАРЕВИЧ А. А.

Белорусский национальный технический университет

При конструировании и расчете дорожных териалов. Эта задача не представляет трудно-одежд важно определить расчетные характери- стей, когда используются типовые строитель-стики применяемых дорожно-строительных ма- ные материалы, значения расчетных характери-