Методически правильное проектирование состава бетона — путь к снижению стоимости строительства

Рассматривается методика проектирования состава песчаныхбетонов.

Проектирование состава бетона —одна из наиболее ответственных задач при постановке продукции на производство.

Разработанный однажды составвоспроизводится 100 и более раз в смену, и неоптимальный расход цементаприводит к перерасходу, исчисляемый в сотнях тонн в год.

Работа с неподготовленнымизаполнителями и нестабильными по своим характеристикам цементами, даже если ониот одного поставщика, вынуждает отечественных производителей бетона работать насоставах, гарантирующих результат при любом сочетании свойств заполнителей ицемента.

Более того, явное пренебрежениек работе с заполнителями имеет место уже на заводе — изготовителе товарногобетона или ЖБИ: хранение на открытых складах, приводящее к различиям в расходеводы в каждом замесе; отсутствие датчиков контроля влажности в смесителе;сегрегация заполнителей, образующаяся при их разгрузке; отсутствие пескосеялок,установка которых позволяет исключить из песка посторонние включения, комовуюглину; и др. Проблема усугубляется некачественным перемешиванием бетоннойсмеси, т. к. используемые виды бетономешалок, в том числе и принудительногоперемешивания, часто не обеспечивают гомогенности смеси, в первую очередь, вмикрообъёмах.

В сумме всё это приводит кувеличению расхода цемента на 20 и более процентов по сравнению с лучшимизарубежными производителями бетона, работающими на подготовленных заполнителях,чистоклинкерных цементах и использующих специальные смесители.

Перерасход цемента существенноувеличивает стоимость строительных материалов и изделий.

Разумеется, каждая извышеуказанных проблем (по материалам, их хранению, перемешиванию) требуетсвоего решения, что никак не снижает важности методически правильногопроектирования состава бетона. Проектированием — или, как часто говорят,«подбором» — состава занимаются наиболее опытные и квалифицированные сотрудникипредприятия, и понятно почему: на определённых этапах работы необходимопринимать интуитивные решения, с чем, конечно, лучше справится сотрудник,обладающий более высокой квалификацией и б?льшим опытом.

перерасходцемента существенно увеличивает стоимость строительных материалов и изделий

Нельзя быть уверенным, чтополученный в результате проектирования состав является наилучшим. Поэтому исуществует большое количество способов проектирования состава, дающих разныерезультаты, хоть и понятно, что на конкретных материалах и в рамках стабильнойтехнологии может быть только один оптимальный состав бетона.

При проектировании составанаиболее массового вида бетона — тяжёлого имеется 4 неизвестных — расходыцемента, щебня, песка и воды — и только 3 зависимости, определяющиезакономерности проектирования состава, — уравнение Боломея, уравнениеабсолютных объёмов и предложенный Скрамтаевым закон постоянства водосодержания.Поэтому разработчики привлекают одну или несколько зависимостей эмпирическогохарактера, позволяющих привести в соответствие количество уравнений иколичество неизвестных.

На прочность влияют такжехимический и минералогический состава цемента, качество уплотнения бетоннойсмеси, способ её перемешивания, чистота, крупность, свойства поверхности зёрензаполнителя и множество других факторов.

Это означает, что невозможно, покрайней мере, в настоящее время, разработать способ проектирования состава,позволяющий получить требуемый результат только с помощью расчёта.

Как уже отмечалось,отечественная стройиндустрия использует в своей практике неподготовленныезаполнители и цемент, характеристики которого также непостоянны. Поэтомуработники предприятия, отвечающие за качество бетона, вынуждены работать вопределённой полосе точности, и всё что они могут сделать — это сузить этуполосу.

Какова же цена вопросапроектирования состава бетона, и стоит ли им заниматься, если уточнение составатребует серьёзной работы, а её результат может оказаться малозначим всебестоимости продукции? Расчёты показывают, что при разнице в расходах цементав 20 кг/м3 при среднем расходе 300 кг/м3 (менее 7 %; припроектировании состава считается вполне удовлетворительным результатом) дляодной бетономешалки с объёмом замеса 1 м3 по выходу это — 0,2 млн.долларов США в год.

Вот такие «пустяки»!

приразнице в расходах цемента в 20 кг/м3 при среднем расходе 300 кг/м3 для одной бетономешалки с объёмомзамеса 1 м3по выходу это — 0,2 млн. долларов США в год

На наш взгляд, методическаяслабость предлагаемых способов состоит в том, что они полностью игнорируютсуществующую практику производителей бетона.

Проектирование составаначинается «с чистого листа», в то время как сотни организаций и лиц выполнялианалогичную работу на материалах близких по качеству.

При разработке способа бетоны следуетразделить на группы и для каждой группы построить математические модели,устанавливающие влияние на прочность основных факторов состава и технологии.

Покажем методику проектированиясостава на примере песчаного бетона — разновидности мелкозернистых бетонов,включающих в качестве единственного заполнителя природный либофракционированный песок.

Отсутствие щебня в составебетонной смеси уменьшает количество неизвестных — 3 уравнения и 3 неизвестных,— что даёт возможность построить способ проектирования состава в виде алгоритма— набора формализованных операций, последовательное выполнение которыходнозначно приводит к требуемому результату.

Экспериментально доказано, чтозакон постоянства водосодержания действует только в достаточно узком диапазонесоставов, при небольших изменениях в расходах материалов. Поэтому расчётныйэтап проектирования должен выявить состав, достаточно близкий к оптимальному, аиспытания образцов лишь откорректировать его.

Термин «песчаный бетон»объединяет группу бетонов различного назначения, изготавливаемых по разнымтехнологиям. Сюда включены бетоны на основе литьевых композиций, перекачиваемыхпо трубопроводам, и бетоны, изготавливаемые из сверхжёстких смесей,удобоукладываемость которых невозможно оценить стандартными методами.

Показано [2], что в границахмарки бетона (а именно эта характеристика положена СНиП в основу нормированияфизико-механических характеристик) свойства материала могут значительноизменятся, в первую очередь, в зависимости от набора технологических приёмов,применяемых при изготовлении изделий и конструкций.

По материалам собственных экспериментов иданным обработки материалов исследований отечественных и зарубежных авторов,включающим свыше 200 источников, песчаные бетоны были разделены на 3 группы,отличающиеся как набором технологических приёмов, используемых при ихизготовлении, так и свойствами полученного материала.

Песчаные бетоны группы А (смеси жёсткостьюдо 120 сек), при изготовлении которых используются:

специальные методы подготовки вяжущего (домолцемента, совместный помол цемента с песком);

специальные методы перемешивания (ввибросмесителях, смесителях-активаторах, струйных смесителях и др.);

методы интенсивного уплотнения(вибропрессование, полусухое прессование, роликовое формование, вибропресспрокат).

Песчаные бетоны группы Б (жёсткие и особожёсткие смеси, от 40 сек), при изготовлении которых используются методыинтенсивного уплотнения, в том числе и на виброплощадке с пригрузом.

Песчаные бетоны группы В — малоподвижныесмеси с ОК = 2–4 см, уплотняемые на стандартных или специальных виброплощадкахбез пригруза.

Предлагаемая классификация, на базе которойразработан приведённый ниже способ проектирования состава песчаного бетона,позволяет учесть особенности свойств материала и технологии его изготовления.

Проектирование состава песчаныхбетонов слитной структуры

Состав песчаного бетона при регламентируемомкоэффициенте уплотнения Ку0,97 подбирается в следующемпорядке.

Определяется предварительная величина Ц/В (рис. 1) и ориентировочный расходвяжущего Ц в кг/м3 (рис. 2).

По принятым значениям Ц и Ц/В устанавливаетсяколичество цементного теста цт (л/м3) и расход песка П (кг/м3) по формулам 1 и 2:

цт = , (1)

П = п(1000 – цт), (2)

где ц и п — удельный вес цемента и песка соответственно.

Изготавливается иуплотняется бетонная смесь принятого состава и по формуле 3 определяется коэффициент уплотнения Ку,достигнутый в контрольных образцах.

Ку = , (3)

где ф — фактическая объёмная массауплотнения бетонной смеси,

т = (Ц+П+В)/1000 — теоретическаяобъёмная масса.

Если требуемаявеличина Ку не достигнута, изготавливается новая серия образцов сувеличенным количеством цементного теста при принятом Ц/В до тех пор, пока небудет получен коэффициент уплотнения Ку0,97.

Затемизготавливаются 3 серии контрольных образцов: одна — из песчаного бетонаполученного состава, в двух других меняется Ц/В изменением расхода вяжущего припостоянном расходе воды. Величину Ц/В рекомендуется изменять на 0,25.

По результатамиспытаний трёх серий контрольных образцов строится зависимость прочности бетонаот цементно-водного отношения и выбирается окончательный состав бетона.

Расход материалов ввыбранном составе бетона определяется умножением полученных величин Ц, П и В нафактический коэффициент уплотнения.

Пример проектирования состава песчаногобетона

Необходимовыполнить проектирование состава вибропрессованного песчаного бетона М500, напортландцементе М500ДО. Коэффициент уплотнения смеси — не менее 0,97.Пластифицирующая добавка ССБ — 0,1 % от веса цемента. Модуль крупности песка —2,6. Бетон подвергается термообработке.

1.Определяется величина Ц/В по рис. 1.

Ц/В= 2,70.

2.По рис. 2 принимается ориентировочныйрасход вяжущего

Ц =450 кг/м3.

Соответствующийрасход воды:

В =450/2,70 л/м3.

3.Расход цементного теста составит:

Vцт = Ц/3,12 + В =311 л/м3.

Расходпеска определяется по уравнению абсолютных объёмов.

П =2,62 (1000 – 311) = 1800 кг/м3.

Такимобразом, получен состав бетона для опытных затворений:

Ц:П:В= 450:1800:167.

4.Формование опытных образцов из цементно-песчаной смеси указанного состава сдобавкой ССБ показало, что Ку = 0,94 — менее регламентированного.Необходимо увеличить количество цементного теста приблизительно на 30 л. При данном Ц/В это 16 л воды и 43 кг цемента. Расход песка, соответственно,уменьшится на 80 кг/м3. Полученный состав Ц:П:В = 493:1720:183. Визготовленных из этого состава образцах Ку бетонной смеси равен0,97.

5.Изготавливаются три серии контрольных образцов.

Перваясерия — Ц/В = 2,47, вторая — 2,70, третья — 2,95.

Определяютсясоставы бетона первой и третьей серий.

Расходводы остаётся прежним — 183 л/м3.

Расходцемента: для первой серии Ц = 183 • 2,47= 452 кг/м3, для третьей — Ц = 183 • 2,95 = 540 кг/м3.

Расходпеска:

1-ясерия: П = 2,62 (1000 – 183 – 452/3,12) = 1760 кг/м3;

3-ясерии: П = 2,62 (1000 – 183 – 540/3,12) = 1680 кг/м3.

6.Изготавливаются контрольные образцы из песчаного бетона трёх указанных составови испытываются в возрасте 28 сут. после тепловлажностной обработки.

7.По результатам испытаний образцов строится зависимость R = (Ц/В) и устанавливается, что для получения требуемойпрочности необходимо Ц/В = 2,75.

8.Рассчитывается новый состав бетона исходя из Ц/В = 2,75 и расхода воды В = 183л/м3:

расходцемента Ц = 183 • 2,75 = 505 кг/м3;

расходцементного теста Vцт= 183 + 505/3,12 = 345 л/м3;

расходпеска П = 2,62 (1000 – 345) = 1710 кг/м3.

Избетонной смеси полученного состава делается контрольный замес и определяетсяфактический Ку = 0,97. Окончательно корректируется рабочий состав:

Ц =505 • 0,97 = 490 кг/м3,

В =183 • 0,97 = 180 л/м3,

П =171 • 0,97 = 1680 кг/м3.

Проектированиесостава тощего песчаного бетона с воздухововлекающими добавками

Строительные нормыпозволяют в качестве конструкционных использовать бетоны слитной структуры —при соблюдении нормируемых специально для них физико-механическиехарактеристик.

В песчаном бетонедля получения слитной структуры необходимо б?льшее количество цемента, чем втяжёлом бетоне. Это обстоятельство часто является препятствием на путивнедрения материала.

Модификацияструктуры песчаного бетона введением воздухововлекающих добавок позволяетперевести случайно расположенные поры, вызванные нехваткой цементного теста, впоры воздухововлечения, равномерно распределённые по объёму бетона [1]. СНиП не выделяетбетоны с воздухововлечением в отдельную группу, что предполагает возможностьработы с ними как с бетонами слитной структуры в границах 0,97 Ку > 0,91. Нижняя граница Ку > 0,91 принята условно, в соответствии срезультатами исследовательских работ, проведённых в указанном диапазоне Ку.

Таким образом, еслиКу не регламентирован, то проектирование состава бетона заданноймарки по прочности рекомендуется выполнять следующим образом.

По табл.1 назначается ориентировочный расход воды в л/м3 и условный коэффициент избытка цементноготеста в зависимости от группы песчаного бетона, способа уплотнения бетоннойсмеси и крупности песка.

Экспериментально либо по рис. 3 (К, С, М — фракции песка при рассеве по стандартным ситамчерез одно) определяется пустотность используемого песка (Р).

По формуле4 определяется расход цементного теста в л/м3 при Ку = 0,91:

цт = 1000 (Р – 0,09) Кизб. (4)

	Группы А и Б						Группа В
	Крупный песок			Мелкий песок
	Ролик. формов.	Вибропрессование с удельн. давлением		Ролик. формов.	Вибропрессование с удельн. давлением		Крупный песок	Мелкий песок
		500 г/см2	50 г/см2		500 г/см2	50 г/см2	Виброплощадка
В1, л/м3	140	150	170	150	160	180	210	220
Кизб	1,05	1,07	1,10	1,10	1,13	1,15	1,15	1,20

Таблица1.Данные для проектированиясостава тощего песчаного бетона

По формуле 5определяется расход цемента (кг/м3):

Ц = (цт – В). (5)

Проводитсязатворение и уплотнение бетонной смеси с целью проверки совпадения принятого иполученного К.

При их несовпадениив смесь добавляется (исключается) рассчитанное по формуле 6 количество цементного теста (л).

цт = ()1000. (6)

Проводится рядзатворений полученной цементно-песчаной смеси с увеличенным в каждом случае на 5л/м3 расходом воды. Строится график зависимости Ку = , имеющий вид, приведённый на рис.4.

Этот график сдостаточной для практических целей точностью может быть представлен в виде двухпрямых, имеющих разные наклоны к оси абсцисс. Верхняя прямая показывает, чтопри добавлении в бетонную смесь воды в количестве 5 л/м3 коэффициентуплотнения увеличивается на 0,5 %. Это означает, что точка пересечения прямыхсоответствует количеству воды, позволяющему обеспечить минимальную удобоукладываемостьсмеси, уплотняемую конкретным формующим агрегатом.

Проводитсяизготовление новых серий образцов из смесей с найденным количеством воды иразными расходами цемента. Для каждого состава определяется Ку.После твердения образцов проводятся их испытания на прочность, по результатамкоторых строится график зависимости прочности бетона от расхода цемента.

По указанномуграфику выбирается значение прочности меньше требуемой на 15 и 30 %.

Для указанных трёхсоставов строятся зависимости Ку от количества воздухововлекающейдобавки, имеющие вид, приведённый на рис.5.

По данным испытанийобразцов, составы которых соответствуют точке перегиба верхней кривой на рис. 5, определяется состав, содержащийоптимальное количество воздухововлекающей добавки.

Предлагаемый способпроектирования состава песчаного бетона, учитывающий влияние технологиипроизводства на прочностные характеристики материала, позволяет получатьпесчаные бетоны с заданной прочностью, отвечающие требованию минимальнойстоимости. Простота способа, а также его особенности, предусматривающиеизготовление контрольных образцов из материалов и методы, применяемые дляизготовления конструкций, для которых ведётся проектирование состава, позволилиуспешно применять этот способ в практике лабораторий заводов сборногожелезобетона.

Литература:

1. Львович К. И.Повышение прочности песчаных бетонов введением воздухововлекающей добавки.Разработка новых и усовершенствование существующих технологических процессов,оборудования и оснастки для отраслей городского хозяйства г. Москвы. – М.,1989.

2. Львович К.И.Проектирование составов песчаных бетонов в зависимости от технологии ихизготовления // Бетон и железобетон. — 1994. — № 5.