Тема 2.1 Участвовать в организации работ на предприятиях по приготовлению цементобетонных смесей.

Учебная цель: углубление, расширение и закрепление знаний, полученных на теоретических знаниях.

Учебные задачи:

1. Научиться проектировать и подбирать состав цементобетона.
2. Изучить эффективность приготовления и использования дорожно-строительных образцов в зависимости от их качества.

Образовательные результаты, заявленные по ФГОС третьего поколения:

Студент должен уметь:
- выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиях эксплуатации;
- проектировать и подбирать состав цементобетона.

Знать:
- свойства бетона и бетонной смеси.

Задачи практической работы:

1. Подобрать состав цементобетона: определить водоцементное отношение, расход воды, щебня, песка.
2. Определить коэффициент выхода бетонной смеси.
3. Подсчитать расход материалов на замес бетономешалки.
4. Посчитать номинальный состав на полевой.

Расчет состава цементобетона и подбор состава.

  Цель расчета состоит в выборе материалов и определении оптимального соотношения их расхода на 1м³ бетона, при котором наиболее экономично обеспечиваются заданная прочность бетона и подвижность бетонной смеси. В задании на расчет должны быть указаны исходные данные: требуемая прочность бетона, назначение конструкции, подвижность и жесткость бетонной смеси, свойства исходных материалов.
  Состав тяжелого цементобетона рассчитывают по методу «абсолютных объемов», разработанному профессором Б.Г. Скрамтаевым. В основу метода положено условие, что бетон максимальной плотности и прочности при заданной марке цемента и величине водоцементного отношения можно получить в том случае, если сумма абсолютных объемов исходных материалов, взятых для приготовления 1м³ бетонной смеси, равна 1000л.

Порядок расчета:
1. Определяется водоцементное отношение В/Ц:

Где   А- Коэффициент, зависящий от качества каменных материалов;
       А= 0,65- для высококачественных материалов;  А= 0,6- для рядовых;
       А= 0,55- для материалов пониженного качества;
       R_Ц- активность (марка) цемента, МПа; R_Ц- предел прочности бетона, МПа.

Найденное значение В/Ц сравнивают с предельно допустимым для данного сооружения, например:
  - для однослойных и верхнего слоя двухслойных дорожных покрытий В/Ц<0,5
  - для нижнего слоя двухслойных дорожных покрытий В/Ц<0,6
  - для оснований усовершенствованных покрытий В/Ц не нормируется.
Если В/Ц получится больше предельно допустимого, к расчету принимается предельно допустимое значение В/Ц, найденное по расчету.

2. Определяют расход воды в литрах на 1м³ бетона по табл. 1 или графику
(рис. 1) в зависимости от максимальной крупности щебня (гравия) и удобоукладываемости смеси.

3. Определяют расход цемента по формуле Ц=В/(В/Ц) и сравнивают с минимально допустимым, устанавливаемым в зависимости от назначения цементобетона: 

- для однослойного и верхнего слоя двухслойного покрытия- 300кг/м³;
- для нижнего слоя покрытий и оснований- 200кг/м³;
- искусственных сооружений на автомобильных дорогах- 240кг/м³;

Если полученный по формуле расход цемента больше минимально допустимого, принимается к расчету его значение, если меньше- минимально допустимое.                                         Таблица 1.

Примечания:
1. Данные таблицы справедливы для бетона на портландцементе среднем песке и щебне.
2. При использовании пуццоланового цента расход воды увеличивается на 15-20л/м³, при использовании гравия или крупного песка – уменьшается на 10л/м³, при мелком песке увеличивается на 10л/м³.
3. При использовании щебня или гравия с водопоглощением более 1%, расход воды нужно увеличивать на 7л/м³ на каждые 0,5% увеличения водопоглощения.

Рис 1. График для определения расхода воды на 1м³ бетонной смеси, приготовленной из
портландцемента, среднего песка с модулем крупности 2,4- 2,7.

4. Расход щебня (гравия)

Где    V_пуст- пустотность щебня; V_пуст=1-р_нщ/р_нщ;
     р_нщ- насыпная плотность, кг/м³;
     α- коэффициент раздвижки щебня (гравия), который устанавливается по графику в зависимости от абсолютного объема цементного теста и крупности песка (рис. 2);
     р_щ – истинная плотность щебня, кг/м³.

  Рис 2. График для определения коэффициента раздвижки зерна α.

Где    р_ц- истинная плотность цемента, г/м³.

  Для песков с модулем крупности 2,4-2,7 и расходе цемента 250 кг/м³ можно принять α=1,3, при расходе цемента 300 кг/м³ – 1,35; 350 кг/м³ – 1,43. Для жестких α= 1,05- 1,1.

5. Расход песка

Где  р_п – истинная плотность песка, кг/м³.

После определения расхода составляющих материалов на 1м³ цементобетона приготавливают пробный замес цементобетонной смеси в объеме 10л и определяют ее удобоукладываемость. Для приготовления пробного замеса

Ц_П=Ц`;П
В<sub>П</sub>=В`-П`*а/100-b/100;
П<sub>П</sub>=П`+П`*а/100;
Щ<sub>П</sub>=Щ`+Щ`b/100.

Где   Ц_П, В_П, П_П, Щ_П – новое откорректированное значение составляющих материалов с учетом их влажности на 1м³ бетона, кг;
       Ц`; В`; П`; Щ` - расход цемента, воды, песка и щебня на 1м³ бетона заданной прочности и подвижности, кг;
       a, b – фактическая влажность песка и щебня (гравия), %

При перемешивании компонентов бетона песок занимает пустоты между крупным заполнителем, а цементное тесто – пустоты между частицами песка. Поэтому объем получающийся бетонной смеси всегда меньше суммы объемов сухих компонентов. Степень уменьшения объема бетонной смеси по сравнению с объемом исходных материалов называется коэффициентом выхода бетона.

Где   V_Ц, V_П, V_Щ – объемы соответственно цемента, песка и щебня, затраченных на получение 1м³ бетона, м³.

  Коэффициент выхода бетонной смеси обычно равен 0,6-0,7 и находят его для подсчета загрузки бетоносмесителей, вместимость которых задается по объему загрузки, т.е. по сумме объемов сухих материалов, идущих на один замес.

  Имея расчет материалов на 1м³ бетона Ц`, В`, П`, Щ`, можно подсчитать количество материалов в килограммах для одного замеса в объеме имеющийся бетономешалки. Для этого расход материалов на 1м³ бетона следует разделить на 1000 и умножить на объем бетономешалки в литрах (V_M)

;     

;

Где Ц_з , В_з , П_з , Щ_з – расходы соответственно цемента, вода, песка и щебня
(гравия) на один замес бетономешалки полученные массы материалов в килограммах уменьшают в 100 раз. Пример расчета состава бетонной смеси.

Задание: Подобрать состав цементобетонной смеси для однослойного дорожного покрытия со следующими характеристиками: предел прочности бетона при сжатии R₆=40 МПа, осадка конуса 2-3 см. Имеются следующие материалы: портландцемент марки 500 (R_ц=50 МПа), р_ц=3,1 г/см³, р_нц=1,1 г/см³, песок речной кварцевый р_п=2,6 г/см³. В таблице 2 дан зерновой состав песка при контрольном рассеве.
     Кривая зернового состава песка укладывается в рекомендованный график (рис.3), модуль крупности равен 3,13 через сито 0%.        Таблица 2.

 Вывод: Песок соответствует техническим требованиям. Щебень дробленный из гранита, предел прочности исходной горной породы при сжатии R_сж=120МПа, р_щ=3,1г/см³; р_нщ=1,7г/см³, пустотность щебня

V_пуст=1(1,7/3,1)=0,45

В таблице 3 приведены данные по зерновому составу щебня. D_б=40мм;
D_м=5мм; 0,5(D_м+M_б)=20мм. (по ГОСТ 8269-78 D_б может быть сито с полным остатком 0-5%, D_м-с полным остатком 95-100%; 0,5(D_м+D_б,-40-70; 1,25 D_б-0%). Кривая зернового состава полностью вписывается в рекомендованный график (рис.4)
      Расчет. Находим водоцементное отношение

Так как найденное В/Ц превышает предельно допустимое значение, по техническим нормам к расчету принимаем В/Ц=0,50. Расход воды на 1000л. бетона определяем по графику (см. рис. 3).

                           F=165л.

Расход цемента на 1м³ бетона Ц=В/(В/Ц)=165/0,5=330кг.
Чтобы определить расход щебня, предварительно найдем α по объему цементного теста V_Ц.Т.=165+330/3,1=271л.            Таблица 3.

По графику (см. рис. 4) определяем α =1,38

Размер отверстий контрольных сит, мм.

Рисунок 3. Зерновой состав песков, пригодных для приготовления дорожного бетона.

Рисунок 4. Предельные кривые рекомендованных составов щебня (гравия) для цементобетона.

Расход песка на 1м³ бетона:

Следовательно, на 1м³ бетона требуется: цемента 330 кг, песка 680 кг,
воды 165 л, щебня 1450 кг.
   Приготавливают пробный замес в объеме 10л, для чего подсчитывают расход материалов: цемента 330/100=3,3кг; песка 680/100=6,8кг; воды 165/100=1,65л; щебня 1450/100=14,5кг.
   Определяют подвижность и жесткость смеси. Осадка конуса оказалась равной 1 см. Нужно добавить по 5-10% цемента и воды от ранее взятой массы. При этом В/Ц должно остаться без изменения.
   Добавим 330г. Цемента и 330*0,5=165г воды. Тщательно перемешиваем смесь с добавкой и вновь определяем подвижность. Она оказывается равной 3см, что и требуется по заданию.
   Если подвижность смеси окажется больше требуемой, увеличивают на 50-10% содержание щебня (гравия) или песка. Работа продолжается до тех пор, пока не будет получена требуемая подвижность цементобетонной смеси. После этого уточняют состав смеси с учетом добавленных материалов: цемента
3,3+0,33=3,63кг; песка 6,8кг; воды 1,65+0,165=1,81л; щебня 14,5кг.
   В связи с добавлением цементного теста абсолютный объем увеличивается на 0,33/3,1+0,165=0,27л. Отсюда фактический объем пробного замеса равен 10+0,27=10,27л.
                Новый расход материалов на 1м³ бетона составит:
                цемента     Ц`=3,63/10,27*1000=353кг;
                воды        В`=1,81/10,27*1000=176л;
                песка        П`=6,80/10,27*1000=662кг;
                щебня       Щ`=14,5/10,27*1000=1412кг.

   Состав цементобетона может быть выражен в частях по отношению к массе цемента (состав по массе) и получают его путем деления расходов составляющих материалов на массу цемента, т.е.
                     Ц/Ц; П/П; Щ/Ц при В/Ц= 1/n.

В данном примере:
          353/353; 662/353; 1412/353 при В/Ц= 0,5 или 1:1,9 при В/Ц=0,5.

Полевой (рабочий) состав бетона получают в результате внесения поправок на влажность песка и щебня (гравия).

Вопросы для закрепления теоретического материала к практическому занятию:

1.     Как изменяется водоцементное отношение в зависимости от слоя дорожной одежды?

2.     Что такое коэффициент выхода бетонной смеси?

3.     Что такое полевой состав цементобетона?

4.     По какой схеме рассчитывается состав цементобетона?